徐明德,李 璐,白金玲,徐寅杰

(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院,太原030024)

社會經濟的發(fā)展和人類活動頻率的劇增使得城市湖泊的富營養(yǎng)化問題突出,尤其是在北方水源相對較少的地區(qū),由于缺少有效的自然補水,城市景觀湖更易出現富營養(yǎng)化問題,從而嚴重影響了湖泊的景觀、休閑等功能的發(fā)揮。富營養(yǎng)化成為當前城市湖泊面臨的主要環(huán)境問題,富營養(yǎng)化治理越來越受到人們的關注,而客觀地評價湖泊的富營養(yǎng)化水平尤為重要。早期較常用的評價方法有單因子評價法[1],其后逐步建立了營養(yǎng)狀態(tài)法[2]、模糊綜合評價法[3]及灰色理論評價模型。其中較常用的數理統(tǒng)計分析法有回歸分析、方差分析、主分量分析等。這些方法往往需求大量樣本及典型的樣本概率分布方可實現。在國內外富營養(yǎng)化研究中,灰色關聯法分析是水質分析的一個新的發(fā)展方向。本文擬以太原市區(qū)迎澤湖為研究對象,選取5個典型指標,應用灰色關聯分析法探討湖泊富營養(yǎng)化問題。

1 迎澤湖水質現狀監(jiān)測

1.1 監(jiān)測點布設

迎澤湖為太原市區(qū)最大的人工景觀湖,位于太原市中心,其水源主要來自降雨和汾河二庫的定期補水,由南、北、中三部分組成,平均水深1.98 m,全湖面積22.23 hm2。

針對迎澤湖的結構和定性的流場分析,在湖泊的5個不同區(qū)域(北湖進水區(qū)、湖中區(qū)、南湖出水區(qū)、南湖背光區(qū)和北湖湖心島區(qū))各設1個取樣點,分別記為,見圖 1。

圖1 迎澤湖水質監(jiān)測點

1.2 監(jiān)測項目及方法

基于影響湖泊富營養(yǎng)化的主要因素,選擇透明度(SD)、高錳酸鉀指數(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chla)5個指標來分析湖泊富營養(yǎng)化狀況[4]。監(jiān)測方法參照文獻[5],見表1。

1.3 監(jiān)測時限及頻率

根據湖泊夏季水質較差、易于發(fā)生富營養(yǎng)化的特點,監(jiān)測時間選為6～11月,頻率為每5～10 d采樣1次。

表1 水質監(jiān)測項目和監(jiān)測方法[5]

2 灰色關聯分析基本步驟

灰色關聯分析采用灰色關聯度來量化系統(tǒng)內各分析因素的相互聯系、相互影響與相互作用,它根據兩個因子參數序列構成的空間曲線的接近程度判斷聯系的緊密程度,曲線越接近,相應序列之間的關聯度就越大,反之就越小。

2.1 數據無量綱化處理

以Y(k)(k=1,2,…,n)表示某一監(jiān)測點第k個分析因子的監(jiān)測值;以Xi(k)(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)表示湖泊富營養(yǎng)化i級標準中k分析因子的標準值。

考慮到各參數量綱的不一致性,對實測值和標準值進行無量綱化處理。此處選用湖泊富營養(yǎng)化分析標準中的某一等級作為參考標準,記為C(k),則無量綱化處理計算公式如下。

無量綱化監(jiān)測值：

2.2 關聯系數的確定

以{y(k)}(k=1,2,…,n)及{x i(k)}(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)分別為參考數列和比較數列,利用基本灰色關聯分析模型計算兩者在第k點上的關聯系數[6]：

式中,ρ為分辨系數,0≤ρ≤1,ρ值越大,分辨能力愈強;此處僅為求得關聯系數的大小,故取ρ=0.5。

2.3 關聯度綜合指數的確定

關聯系數計算結果較多,信息分散,難于比較,因而采用灰色關聯度[7]進行信息綜合,灰色關聯度綜合指數數學模型為：

式中：γ(y,x i)為參考數列與比較數列i的關聯度綜合指數。

若參考數列{y(k)}與比較數列{x i(k)}滿足：

則數列{y(k)}與比較數列{x i(k)}關聯性最好,湖泊富營養(yǎng)化程度確定為i*級最為合適[8]。

3 迎澤湖富營養(yǎng)化灰色關聯分析

3.1 分級標準的確定

根據氣候、水質要求等實際情況,參照中國水庫富營養(yǎng)化評分與分級標準,確定出迎澤湖的富營養(yǎng)化分析標準[9],見表 2。

表2 迎澤湖富營養(yǎng)化分析標準 mg/L

3.2 灰色關聯分析

按上述方法對迎澤湖的5個監(jiān)測點分月進行富營養(yǎng)化分析。鑒于篇幅考慮,僅以8月份P1點監(jiān)測濃度變化值計算為例,其中n=5,m=6。計算步驟如下：

1)確定樣本矩陣與標準矩陣。

樣本矩陣：

標準矩陣：

3)關聯度綜合指數計算。

按式(3),計算關聯系數和關聯度綜合指數：

關聯系數

關聯度綜合指數：

則最大關聯度γ*=0.838 5,即知8月份P1點富營養(yǎng)化級別為4級(中-富營養(yǎng)化)。同理可得5個監(jiān)測點不同時期的水質關聯度綜合指數,結果見表3。

3.3 結果分析

1)由表 3知,全湖營養(yǎng)化狀態(tài)在6、7、11月份較輕,8、9、10月份較嚴重。主要原因在于,在 6、7月份,迎澤湖水溫逐漸升高,水體處富營養(yǎng)化產生初期 ,為中-富營養(yǎng)狀態(tài);夏季 8、9、10 月份,迎澤湖水溫變化范圍為24.6～28.9℃,非常適合于藻類的生長,水體溶解氧量下降,水質漸惡化,整個湖體處于富營養(yǎng)狀態(tài)。到了秋季11月份,水溫明顯下降,最高水溫為8.6℃,已不適應藻類的生長,富營養(yǎng)化程度逐漸減輕,為中-富營養(yǎng)狀態(tài)。

2)從空間角度來分析,P5所在湖區(qū)富營養(yǎng)狀態(tài)較其他區(qū)嚴重,P3、P4所在湖區(qū)富營養(yǎng)化狀態(tài)較輕。P5所代表的北湖湖心島區(qū)湖面開闊,湖面乘船的游客較多,存在游客向湖中隨意丟棄雜物現象,再加上此湖區(qū)光照充足,為藻類生長提供了適宜條件。另外,附近湖心島上設有茶座等休閑設施,產生的污水常未經處理直接排入湖中,使該湖區(qū)水體氮、磷濃度升高,富營養(yǎng)化現象嚴重。P 3所代表的南湖出水區(qū)靠近南岸,夏季樹蔭充足,湖面采光量少,而且客流量較少,垃圾等污染物對水體影響較少,使得該湖區(qū)營養(yǎng)化程度較輕。P4所在的南湖背光區(qū)光照較不足,而且此處湖面狹窄,風生流流場速度大,污染物降級速度較快,水體自凈能力較強,從而富營養(yǎng)化程度最輕。

表3 迎澤湖5個監(jiān)測點不同時期的關聯度綜合指數γ(y,xi)

3)由于補水有限,并且補水水質較差,常有被污染的地表徑流流入湖泊,污染水體。

4 結論

1)在湖泊的富營養(yǎng)化分析中,灰色關聯分析對數據的多少和有無規(guī)律的適應性增強,不會出現量化結果和定性分析結果不相符的情況;并且能將不同監(jiān)測點和不同水質標準的關聯程度表現出來,在保障分析結果合理性的基礎上,灰色關聯分析法更加簡便實用。

2)基于迎澤湖本身的特征,應用灰色關聯法進行湖泊富營養(yǎng)化綜合評價,結果表明,全湖處于中-富營養(yǎng)、富營養(yǎng)化狀態(tài);通過水體營養(yǎng)程度空間分布和時間分布的差異分析,可知在空間上污染由重至輕的順序分別為：北湖湖心島區(qū)域、北湖進水口區(qū)域、湖中區(qū)、南湖出水口區(qū)域、南湖背光區(qū)域,在時間上污染由重至輕排序為9月、10月、8月、11月、6月、7月。主要受來水水質、光照、風生流及湖泊周圍污染物及廢水的影響。

3)防治迎澤湖富營養(yǎng)化的關鍵是控制湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷營養(yǎng)鹽和其他污染物的濃度,抑制藻類生長。這就要求改善補水條件,保證迎澤湖有充足水源;加強管理,防治生活娛樂污水亂排及游客隨意丟棄垃圾等現象;在一定時期內,還可使用物理、化學方法對藻類生長進行人工控制。維持湖泊水生態(tài)平衡,以真正實現對富營養(yǎng)化的控制。

[1] 蔡慶華.湖泊富營養(yǎng)化綜合評價方法[J].湖泊科學,1997,9(1)：89-94.

[2] 李靜,魏世強,張晟,等.重慶市都市圈大中型水庫富營養(yǎng)化現狀及評價[J].重慶師范大學學報(自然科學版),2005,22(1)：43-46.

[3] 龐清江,李白英.東平湖水體富營養(yǎng)化評價[J].水資源保護,2003(5)：42-44.

[4] 荊紅衛(wèi),華蕾,孫成華,等.北京城市湖泊富營養(yǎng)化評價與分析[J].湖泊科學,2008,20(3)：357-363.

[5] 國家環(huán)境保護總局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會.水和廢水監(jiān)測分析法[M].北京：中國環(huán)境科學出版社,2002.

[6] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程[M].武漢：華中理工大學出版社,1990.

[7] 王紅瑞,閆五玖.環(huán)境質量的模糊綜合評判-灰色關聯分析復合模型及實例分析[J].北京師范大學學報(自然科學版),1997,20(4)：39-43.

[8] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1985.

[9] 莊晶,張志杰,孫鳳杰.阜新市八座水庫營養(yǎng)狀態(tài)的模糊綜合評價[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2004,24(6)：48-50.